Connessione momentanea

Tipi di connessioni momento

Le connessioni momento portano molto più momento di una connessione a taglio, e costano di più da realizzare: più materiale, più saldature, più adattamento e più ispezione. La maggior parte dei telai li utilizza solo laddove la struttura si affida all'azione del telaio per la stabilità laterale, e utilizzare connessioni a taglio ovunque.

Le configurazioni disponibili dipendono dal codice di progettazione e dal tipo di struttura della trave.

Trave su colonna con sezione a I (AISC 360-16)

Quattro configurazioni, intelaiatura alla flangia della colonna o all'anima della colonna:

• Flangia Piastra. Piastre sulle ali superiore e inferiore della trave, saldato in officina alla colonna e imbullonato in loco alla trave. Mentre la trave si piega, una piastra va in tensione e l'altra in compressione, e quella coppia porta il momento. Una piastra web separata, in effetti una sezione di taglio, porta il taglio. Tutta la saldatura avviene in officina, ecco perché piace ai fabbricanti (esempio lavorato).
• Flange saldate. Le flange della trave sono saldate direttamente alla flangia della colonna senza piastra intermedia, e l'anima è imbullonata a un piatto di taglio. Ciò garantisce la giunzione più rigida del gruppo e il percorso di carico più pulito, ma è la saldatura sul campo su un membro che deve rientrare nella tolleranza, quindi trasporta il preriscaldamento, costi di accesso e ispezione che un dettaglio imbullonato non comporta.
• Piastra terminale a filo. Una piastra saldata all'estremità della trave e imbullonata alla colonna, terminando a filo con le flange della trave in modo che tutti i bulloni si trovino tra di loro. Rimane entro la profondità del raggio, che si adatta ai pavimenti, ma i bulloni’ il braccio di leva è limitato, quindi si adatta ai momenti moderati (esempio lavorato).
• Piastra terminale estesa. La stessa idea, con la piastra estesa oltre la flangia di tensione in modo che una fila di bulloni possa posizionarsi all'esterno di essa. Quella fila ha il braccio di leva più lungo attorno alla flangia di compressione, e l'estensione aggiunge linee di snervamento alla piastra, che è ciò che acquista la capacità del momento extra. È la configurazione mostrata nella parte superiore di questa pagina (esempio lavorato).

Come progettare un momento di connessione all'AISC 360-16

Ogni momento di connessione è progettato seguendo la forza della flangia. Il momento della trave diventa una forza di tensione in una flangia e una forza di compressione nell'altra. Ogni forza passa dalla flangia della trave, attraverso i bulloni, piastre o saldature, nella flangia della colonna, e la colonna deve trasportarlo. Il taglio attraversa il nastro separatamente. Un errore in qualsiasi punto lungo uno dei due percorsi è un errore della connessione.

Le equazioni seguenti sono i moduli LRFD di AISC 360-16, il Manuale AISC 15a Edizione e, per piastre terminali, Guida alla progettazione AISC 39. Per DSA, sostituire [mathin] \phi R_{n} [mathin] con [mathin] R_{n} / \Omega [mathin], usando il [mathin] \Omega [mathin] riportato nella stessa clausola ([mathin] \Omega = 2.00 [mathin] dove [mathin] \phi = 0.75 [mathin], e [mathin] \Omega = 1.67 [mathin] dove [mathin] \phi = 0.90 [mathin]).

1. La forza della flangia

Il momento viene vissuto in coppia. Dividendolo per la distanza tra i baricentri delle flange si ottiene la forza in ciascuna flangia, e un carico assiale aggiunge metà del suo valore a ciascuna flangia:

[math] P_{uf} = \frac{M_{u}}{d – t_{f}} + \frac{P_{u}}{2} [math]

Nell'esempio della piastra flangiata, un carico 300 momento di kip-ft su un W24x84 con 100 il calo del carico assiale dà [mathin] P_{uf} = 204.31\,kip [mathin], e ogni controllo sulle piastre della flangia viene effettuato rispetto a quel numero.

Le piastre terminali funzionano allo stesso modo, ma Guida alla progettazione 39 trasforma la tensione assiale in un momento equivalente, perché tira gli stessi bulloni di tensione:

[math] M_{u,eq} = M_{u} + \frac{T_{u}}{2} \left( d – t_{f} \right) [math]

Questa non è una correzione da poco. Nell'esempio della piastra terminale a filo, 150 il calo di tensione si trasforma a 200 momento di pausa 328.75 kip-ft.

2. Limiti di dettaglio (J2.2b, J3.3, J3.4, J3.5)

Prima di qualsiasi controllo di forza, la connessione deve essere costruibile. I bulloni richiedono una spaziatura e una distanza dal bordo minime, una chiave inglese ha bisogno di spazio per girare, e le saldature d'angolo necessitano di una dimensione minima per le parti che uniscono (Tabella J2.4). La distanza minima tra i bulloni è:

[math] s_{min} = 2\tfrac{2}{3}\, d_{b} \qquad (3\, d_{b}\ \text{preferred}) [math]

Inoltre, una piastra terminale deve essere sufficientemente profonda oltre ciascuna flangia affinché la saldatura della flangia possa adattarsi. Nell'esempio della piastra terminale estesa, la spaziatura della colonna dei bulloni è esattamente al minimo, un rapporto di 1.000, che è consentito. I progettisti dispongono i bulloni ai limiti per mantenere la piastra piccola.

3. Piastre terminali: dimensione del bullone e spessore della piastra (Guida alla progettazione 39)

Guida alla progettazione 39 utilizza un approccio a piastre spesse. I bulloni sono dimensionati per raggiungere la loro resistenza alla trazione senza fare leva, e poi la piastra è resa abbastanza rigida da non far sì che si formi mai. Il diametro del bullone deriva dai bracci della leva [mathin] h_{i} [mathin] delle file di bulloni di tensione attorno al centro della flangia di compressione:

[math] d_{b,reqd} = \sqrt{\frac{4\, M_{u,eq}}{\pi\, \phi\, F_{nt} \sum_{i} n_{i} h_{i}}}, \qquad \phi = 0.75 [math]

La resistenza alla flessione della piastra deriva da uno schema di linee di snervamento attorno a tali bulloni, riassunto nel parametro della linea di rendimento [mathin] Y_{p} [mathin] dalle tabelle della guida per ogni schema di bulloni:

[math] t_{p,reqd} = \sqrt{\frac{1.10\, M_{u,eq}}{\gamma_{r}\, \phi\, F_{yp}\, Y_{p}}}, \qquad \phi = 0.90 [math]

La 1.10 il fattore mantiene il piatto 10% più forte della domanda, quindi rimane rigido e vale il presupposto di non indiscrezione. [mathin] \gamma_{r} [mathin] è 1.0 per un piatto esteso e 0.8 per una placca di comando, perché una placca di comando è più flessibile e deve essere più spessa per essere considerata completamente trattenuta. L'estensione è da dove proviene la forza extra: l'esempio esteso ha [mathin] Y_{p} = 212.35\,in [mathin], contro 123.54 per la placca di comando.

4. Piastre flangiate: scontrino, cuscinetto e taglio del blocco (J3.8, J3.10, J4.3)

Le piastre flangiate sono spesso dettagliate con fori sovradimensionati per il montaggio, e J3.2 li consente solo nei giunti critici per lo scivolamento. La resistenza allo scivolamento del gruppo di bulloni è:

[math] \phi R_{n} = \phi\, \mu\, D_{u}\, h_{f}\, T_{b}\, N_{s}\, n_{b} [math]

dove [mathin] \mu = 0.5 [mathin] per superfici di classe B, [mathin] D_{u} = 1.13 [mathin], [mathin] T_{b} [mathin] è la pretensione minima del bullone dalla Tabella J3.1, e [mathin] h_{f} [mathin] è il fattore di riempimento, 0.85 quando possono esserci due o più riempitivi. [mathin] \phi = 0.85 [mathin] per fori maggiorati. Nell'esempio della piastra flangiata viene controllato lo scorrimento 0.978.

Il supporto e lo strappo del bullone seguono J3.10 sia sulla piastra che sulla flangia della trave:

[math] \phi r_{n} = \phi\, \min\left( 1.2\, l_{c}\, t\, F_{u},\ 2.4\, d_{b}\, t\, F_{u} \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

e sia la piastra che la flangia della trave vengono controllate per verificare la presenza di strappi a taglio del blocco attorno ai bulloni:

[math] \phi R_{n} = \phi \left( 0.6\, F_{u} A_{nv} + U_{bs} F_{u} A_{nt} \right) \le \phi \left( 0.6\, F_{y} A_{gv} + U_{bs} F_{u} A_{nt} \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

Prova le disposizioni dei bulloni in calcolatore di bulloni.

5. Piastre flangiate in tensione e compressione (J4.1, J4.4)

La piastra di tensione viene controllata per cedimento sulla sezione lorda e rottura attraverso i fori:

[math] \phi R_{n} = \min\left( 0.90\, F_{y} A_{g},\ 0.75\, F_{u} A_{e} \right) [math]

La piastra di compressione è una colonna corta tra la faccia della colonna e la prima fila di bulloni. Se è abbastanza tozzo, J4.4 consente di saltare le equazioni di instabilità del Capitolo E:

[math] \frac{K L}{r} \le 25 \quad \Rightarrow \quad \phi R_{n} = 0.90\, F_{y}\, A_{g} [math]

Per un piatto, [mathin] r = t / \sqrt{12} [mathin], quindi una piastra sottile raggiunge rapidamente il limite. La 1/2 nella piastra nell'esempio della piastra flangiata arriva a 24.942, appena sotto 25.

6. La trave in corrispondenza dei fori dei bulloni (D3, F13.1)

I fori fuoriescono dalla flangia tesa della trave esattamente nel punto di massimo momento. F13.1 verifica se riducono la resistenza a flessione della trave:

[math] F_{u} A_{fn} \lt Y_{t} F_{y} A_{fg} \quad \Rightarrow \quad M_{n} = \frac{F_{u} A_{fn}}{A_{fg}}\, S_{x} [math]

[mathin] Y_{t} = 1.0 [mathin] Quando [mathin] F_{y}/F_{u} \le 0.8 [mathin]. Anche la forza della flangia deve penetrare nella trave: metà del raggio, una maglietta, viene trattato come un elemento di tensione collegato solo attraverso la flangia, con ritardo di taglio che riduce l'area netta:

[math] U = 1 – \frac{\bar{y}}{l} [math]

7. Saldature e metallo di base (J2.4, Eq.manuale. 9-2)

La forza della flangia attraversa una saldatura in ognuna di queste connessioni: piastra flangiata alla colonna, o dalla flangia della trave alla piastra d'estremità. Caricato perpendicolarmente alla sua lunghezza, una saldatura d'angolo ottiene l'aumento direzionale di J2.4 1.5:

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.6\, F_{EXX}\, \frac{\sqrt{2}}{2}\, w\, L_{w} \left( 1 + 0.5\, \sin^{1.5}\theta \right), \qquad \phi = 0.75 [math]

L'acciaio su entrambi i lati limita l'importanza della dimensione della saldatura. Per saldature su entrambe le facce di una parte di spessore t, la dimensione utilizzabile in sedicesimi è:

[math] D_{max} = \frac{ \frac{t}{2}\, F_{u} }{3.09\,kip/in} [math]

Guida alla progettazione 39 aggiunge un pavimento alle saldature della flangia della piastra d'estremità: sono progettati almeno per 60% del carico di snervamento della flangia, quindi la saldatura non costituisce mai l'anello debole nemmeno per un piccolo momento.

[math] P_{fl} \ge 0.6\, F_{y}\, b_{f}\, t_{f} [math]

Nell'esempio a filo il pavimento (295.2 kip) è superiore alla forza dei carichi (191.5 kip), quindi il pavimento dimensiona la saldatura. Nell'esempio della piastra flangiata il 1/4 in saldatura alla colonna governa l'intera connessione a 0.998. Prova le taglie in calcolatore di saldatura.

8. Taglio attraverso il web

Il taglio della trave non passa attraverso le ali. In una connessione con piatto d'ala passa attraverso il piatto d'anima, che è progettato come una sezione di taglio: taglio dei bulloni, appoggio sulla piastra e sull'anima della trave, taglio del blocco, e snervamento a taglio e rottura della lamiera. Nell'esempio della piastra flangiata, rottura per taglio del 1 nella piastra d'anima governa quel lato a 0.943.

In una piastra terminale, il taglio attraversa le saldature del nastro al di fuori della zona tesa, e l'anima della trave spesso limita la saldatura. Nell'esempio della piastra terminale a filo il 1/2 nel nastro limita la dimensione di saldatura utilizzabile a 0.3287 pollici, meno del 3/8 nel specificato, e la saldatura a taglio dell'anima regola la connessione a 0.988.

9. La colonna: piegatura della flangia, cedimento del web, zona paralizzante e pannello (J10)

Le forze della flangia arrivano alla colonna come carichi concentrati, e la colonna deve trasportarli senza cedimenti locali. Questi controlli decidono se la colonna necessita di irrigidimenti trasversali o di una piastra raddoppiatrice dell'anima, ed è spesso più economico soddisfarli con una colonna più pesante che con degli irrigidimenti.

Flessione locale della flangia, sotto la flangia di tensione (Eq. J10-1):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 6.25\, F_{y}\, t_{f}^{2}, \qquad \phi = 0.90 [math]

Rendimento web locale, con la lunghezza del cuscinetto [mathin] l_{b} [mathin], lontano dall'estremità della colonna (Eq. J10-2):

[math] \phi R_{n} = \phi\, F_{y}\, t_{w} \left( 5k + l_{b} \right), \qquad \phi = 1.00 [math]

Guida alla progettazione 39 utilizza 6k invece di 5k per le piastre terminali, perché la forza si diffonde attraverso la piastra prima di raggiungere la colonna.

Web paralizzante, sotto la flangia di compressione (Eq. J10-4):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.80\, t_{w}^{2} \left[ 1 + 3 \left( \frac{l_{b}}{d} \right) \left( \frac{t_{w}}{t_{f}} \right)^{1.5} \right] \sqrt{\frac{E\, F_{y}\, t_{f}}{t_{w}}}\, Q_{f}, \qquad \phi = 0.75 [math]

Taglio del nastro nella zona del pannello, dove l'anima della colonna tra le forze della flangia è sottoposta a taglio (Eq. J10-9):

[math] \phi R_{n} = \phi\, 0.60\, F_{y}\, d_{c}\, t_{w}, \qquad \phi = 0.90 [math]

Per piastre terminali, i bulloni di tensionamento inoltre piegano la flangia della colonna secondo uno schema a linea di snervamento, controllato come la piastra terminale stessa:

[math] \phi M_{cf} = \phi\, F_{y}\, t_{f}^{2}\, Y_{c} \ge 1.10\, M_{u,eq} [math]

Il taglio della zona del pannello ha governato la colonna in tutti e tre gli esempi lavorati, a 0.461, 0.726 e 0.492. Una zona del pannello difettosa necessita di una piastra doppia, e una verifica dell'ala o dell'anima difettosa necessita di irrigidimenti opposti alla flangia della trave.

Esempi di progettazione di connessioni a momento (AISC 360-16 LRFD)

Ogni esempio seguente è un foglio di calcolo AISC completo di SkyCiv Connection Design, scritto passo dopo passo con ogni equazione, valore sostituito e DCR.

 

Vale la pena conoscere lo schema. In una piastra terminale, i bulloni e la piastra sono dimensionati insieme e tendono a terminare vicini tra loro, e l'anima della trave spesso limita le saldature. In una piastra flangiata, tutto sul lato flangia viene controllato rispetto alla stessa forza della flangia, quindi le saldature e i bulloni critici per lo scivolamento finiscono per lavorare altrettanto duramente. In tutti e tre, la colonna non necessitava di rinforzi o piastre doppie, ma la zona del pannello era il controllo della colonna più vicino al suo limite.

Per la teoria dietro gli esempi, vedere progettazione di connessioni in acciaio mediante AISC 360-16.

Quale connessione momento dovresti utilizzare?

Cosa controlla il software?

I dettagli vengono eseguiti per primi: distanze dal bordo dei bulloni, distanza tra i bulloni (passo e calibro), giochi degli strumenti, dimensioni minime e massime della piastra, dimensioni minime della saldatura, e rilevamento delle collisioni tra le piastre, rinforzi, bulloni e saldature. Una connessione che non può essere costruita non raggiunge la soluzione.

I controlli di resistenza seguono quindi la procedura sopra descritta. Per le piastre terminali ciò significa il diametro del bullone e lo spessore della piastra richiesti dalla Guida alla progettazione 39, la porzione estesa della piastra a taglio, la flangia e l'anima si saldano con il metallo di base, e taglio dei bulloni, cuscinetto e strappo. Per le piastre flangiate significa scivolamento, cuscinetto, taglio del blocco, tensione e compressione della placca, rottura della trave in corrispondenza dei fori e delle saldature, più la piastra d'anima come sezione di taglio. Sulla colonna significa piegatura della flangia, rendimento web locale, web paralizzante, instabilità per compressione dell'anima e taglio della zona del pannello.

Ogni formula, il controllo del progetto e il riferimento al codice sono mostrati per intero, con i numeri delle clausole dell'AISC 360-16, in modo da poter seguire il calcolo anziché fidarsi. Gli esempi sopra riportati sono scritti da tali rapporti. Per il lato fissaggio, vedere la documentazione su bulloni e saldature.

Connessione Moment vs Connessione Shear: la differenza

La differenza è ciò che accade all'angolo tra i due membri. In una connessione momentanea quell'angolo viene mantenuto, quindi piegarsi in un membro porta nell'altro. In una connessione a taglio il giunto è libero di ruotare, quindi l'estremità della trave gira e nessun momento significativo attraversa il giunto. Vedere cos'è una connessione a taglio per l'altra metà del confronto.

 

 

Domande frequenti

Come si calcola la forza della flangia in una connessione a momento?

Dividere il momento finale della trave per la distanza tra i baricentri della flangia, [mathin] d – t_{f} [mathin], e aggiungere metà dell'eventuale carico assiale. A 300 momento di kip-ft su un W24x84 (d = 24.1 pollici, t_f = 0.77 pollici) con 100 il calo del carico assiale dà 204.31 kip in ciascuna flangia.

Qual è la differenza tra una connessione a momento completamente vincolata e una connessione a momento parzialmente vincolata?

Un completamente trattenuto (FR) la connessione mantiene l'angolo tra i membri, quindi il telaio può essere analizzato con un giunto fisso. Un parzialmente trattenuto (PR) la connessione trasferisce momento ma ruota notevolmente, quindi la sua rigidezza rotazionale deve essere inclusa nell'analisi. AISC 360-16 B3.4 li definisce entrambi. La 0.8 fattore di riduzione sulle piastre terminali a filo nella Guida alla progettazione 39 esiste per mantenere quelle connessioni abbastanza rigide da essere trattate come FR.

Quando una connessione momento necessita di irrigidimenti della colonna o di una piastra raddoppiatrice?

Quando la colonna fallisce, uno dei controlli J10 sotto le forze della flangia. Flessione locale della flangia, rendimento web locale, la deformazione e l'instabilità dell'anima in compressione sono fissate con irrigidimenti trasversali opposti alle flange della trave. Il taglio della zona del pannello è fissato con una piastra raddoppiatrice sull'anima della colonna. Spesso una sezione di colonna più pesante è più economica di entrambe, perché gli irrigidimenti e i duplicatori aggiungono saldature.

Qual è la differenza tra una piastra terminale a filo e una estesa??

Una piastra terminale a filo si ferma sulle flange della trave, quindi tutti i bulloni sono tra di loro. Una piastra terminale estesa sporge oltre la flangia di tensione con una fila di bulloni all'esterno di essa. Quella fila ha il braccio di leva più lungo, e l'estensione aggiunge linee di rendimento, quindi una piastra estesa trasporta un momento molto maggiore. Una placca di comando viene utilizzata laddove il collegamento deve rimanere entro la profondità della trave.

Perché i bulloni della piastra flangiata sono critici per lo scivolamento?

Le piastre flangiate sono solitamente dettagliate con fori sovradimensionati, per dare tolleranza all'erettore sulle flange, e AISC 360-16 J3.2 consente fori sovradimensionati solo nelle connessioni critiche per lo scorrimento. I bulloni vengono pretensionati e le superfici di contatto preparate, tipicamente alla Classe B, quindi il giunto trasporta la forza della flangia per attrito.

Posso progettare una connessione momentanea con ASD anziché LRFD?

sì. Gli stati limite sono gli stessi. Sostituire [mathin] \phi R_{n} [mathin] con [mathin] R_{n} / \Omega [mathin] e confrontare con i carichi ASD. SkyCiv Connection Design esegue entrambi, e il passaggio da uno all'altro è un'impostazione.

Gli esempi seguono il Manuale AISC 15a o 16a edizione?

Seguono l'AISC 360-16 con il Manuale AISC 15a Edizione, che è scritto attorno a quella specifica, e Guida alla progettazione AISC 39 per le piastre terminali. Il Manuale della 16a Edizione fa coppia con AISC 360-22. Gli stati limite sono più o meno gli stessi, ma i riferimenti alle clausole e alle tabelle si spostano, quindi confrontali con l'edizione utilizzata dal tuo progetto.

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Riferimenti

• AISC 360-16, Specifiche per edifici in acciaio strutturale: B3.4, D3 (Tabella D3.1), F13.1 (Eq. F13-1), J2.2b (Tabella J2.4), J2.4, J3.1 (Tabella J3.1), J3.2, J3.3, J3.4, J3.5, J3.6, J3.8, J3.10, J4.1, J4.3, J4.4 (Eq. J4-6), J10 (Eq. J10-1, J10-2, J10-4, J10-8, J10-9).
• Manuale AISC per le costruzioni in acciaio, 15th Edizione: Parte 9 (Eq. 9-2, limite del metallo di base sulla dimensione della saldatura); Parte 12 (connessioni a momento completamente vincolato).
• Guida alla progettazione AISC 39, Connessioni momento-piastra.